JP2012197190A - 自立基板の製造方法、ＡｌＮ自立基板及びＩＩＩ族窒化物半導体デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】種結晶基板を用いた昇華法であっても、品質の良い結晶を得ることのできる自立基板の製造方法、この製造方法により製造されたＡｌＮ自立基板、及び、このＡｌＮ自立基板を用いたIII族窒化物半導体デバイスを提供する。
【解決手段】自立基板の製造にあたり、種結晶基板としてＳｉＣ基板６の表面上に昇華法により成長材料としてＡｌＮを成長させるとともに、成長材料の成長時に種結晶基板を昇華させる。これにより、成長材料の成長時に種結晶基板が除去されるので、成長材料と種結晶基板６の熱膨張係数等の違いに起因して成長材料中に欠陥が生じることは殆どない。
【選択図】図１

Description

本発明は、昇華法を用いた自立基板の製造方法、及び、これにより製造されたＡｌＮ自立基板、並びに、これを用いたIII族窒化物半導体デバイスに関する。

近年、低温バッファ層技術によりサファイア基板上のIII族窒化物半導体の結晶品質が著しく改善し、窒化物の導電性の制御技術と相俟って、青色のような可視短波長領域の光デバイスが実現された。現在、III族窒化物半導体は、紫外領域の光デバイスの材料として期待されている。

紫外発光素子の高性能化にはＡｌＮ単結晶基板の作製技術の確立が非常に重要である。ＡｌＮ基板作製技術には昇華法、ＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy）法、フラックス法、融液成長法等が報告されている。このうち昇華法は、原料を昇華させ、結晶化させる方法で、装置が簡便であり量産性が高いという特長を有している。昇華法でＡｌＮ単結晶基板を作製する場合、自然核発生による方法と、異種基板上に作製する方法の２種類がある。

自然核発生による方法では、高品質のＡｌＮを作製することができるが、大口径とすることは難しい。これに対し、異種基板上に作製する方法であれば、大口径に対応することができる反面、異種基板と成長材料の熱膨張係数等が異なるために、成長材料中にクラックが生じたり、結晶性が悪くなるという問題がある。

特開２００９−２５６１９２号公報

このように、種結晶基板を用いる昇華法で自立基板を作製すると、自立基板の結晶中に欠陥が生じてしまう。そして、欠陥が生じている自立基板を用いたデバイスでは、高性能化を期待することはできない。

本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、種結晶基板を用いた昇華法であっても、品質の良い結晶を得ることのできる自立基板の製造方法、この製造方法により製造されたＡｌＮ自立基板、及び、このＡｌＮ自立基板を用いたIII族窒化物半導体デバイスを提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明では、種結晶基板の表面上に、昇華法により成長材料を成長させる材料成長工程と、前記成長材料の成長時に、前記種結晶基板を昇華させる種結晶昇華工程と、を含む自立基板の製造方法を提供する。

本発明によれば、成長材料の成長時に種結晶基板が除去されるので、種結晶基板と成長材料との間における熱膨張係数の違いに起因して、成長材料中に欠陥が生じることは殆どない。
また、成長材料の原料も種結晶基板も昇華させるため、昇華のための１つの製造装置で、２つの材料の昇華に対応することができる。

上記自立基板の製造方法において、前記成長材料の原料と前記種結晶基板との間に、前記成長材料の成長温度よりも融点が高く前記原料及び前記種結晶基板とともに密閉空間を形成するスペーサを介在させた状態で、当該密閉空間にて前記成長材料を成長させてもよい。

これによれば、種結晶基板の近傍の密閉空間にて原料の昇華及び成長が行われるため、成長速度を向上させるとともに、原料の使用効率を飛躍的に高めることができる。

上記自立基板の製造方法において、前記スペーサと前記原料、並びに、前記スペーサと前記種結晶基板を、少なくとも成長温度で凝固する接着剤で接着した状態で、前記密閉空間にて前記成長材料を成長させてもよい。

これによれば、加熱前にスペーサと原料及び種結晶基板との間に接着剤を充填しておき、加熱後の成長温度にて凝固しているので、各材料間の気密性を高めることができる。

上記自立基板の製造方法において、前記成長材料はIII族窒化物半導体であり、前記種結晶基板は六方晶系単結晶であってもよい。

上記自立基板の製造方法において、前記成長材料はＡｌＮであり、前記種結晶基板はＳｉＣであってもよい。

上記自立基板の製造方法において、前記種結晶基板は、前記材料成長工程にて前記成長材料が成長する成長面を含む第１層と、前記種結晶昇華工程にて昇華する第２層と、を含んでよい。

上記自立基板の製造方法において、前記成長材料はＡｌＮであり、前記種結晶基板の前記第１層はＡｌＮであり、前記種結晶基板の前記第２層サファイア、Ｓｉ又はＳｉＣであってもよい。

また、本発明は、上記の製造方法で製造されたＡｌＮ自立基板を提供する。

さらに、本発明は、上記ＡｌＮ自立基板と、前記ＡｌＮ自立基板上に成長され、発光層を含むIII族窒化物半導体層と、を備えるIII族窒化物半導体デバイスを提供する。

本発明によれば、種結晶基板を昇華させて除去するようにしたので、成長材料中に欠陥が生じることは殆どない。従って、種結晶基板を用いた昇華法の利点を活かしつつ、品質の良い結晶を得ることができる。

図１は、本発明の一実施形態を示す自立基板の製造装置の模式断面図である。 図２は、ＡｌＮ焼結体、ＳｉＣ基板及びリングの配置状態を示す模式斜視図である。 図３Ａは、ＳｉＣ基板上にＡｌＮが成長されていく状態を示す説明図である。 図３Ｂは、ＳｉＣ基板が昇華によりＡｌＮから除去された状態を示す説明図である。 図４Ａは、変形例を示すものであり、種結晶基板上にＡｌＮが成長されていく状態を示す説明図である。 図４Ｂは、変形例を示すものであり、種結晶基板のＳｉＣ層が昇華によりＡｌＮから除去された状態を示す説明図である。 図５は、作製されたＡｌＮ自立基板のＳＥＭ画像である。 図６は、作製されたＡｌＮ自立基板の微分干渉顕微鏡で観察された画像である。 図７は、作製されたＡｌＮ自立基板の平面ＳＥＭ画像である。 図８は、作製されたＡｌＮ自立基板の２θ／ωスキャンによるＸＲＤ(X‐Ray Diffraction)プロファイルである。 図９は、実施例と従来例の（０００２）回折のＦＷＨＭ(Full Width at Half Maximum)を比較したＡｌＮ膜厚を依存性を示すグラフである。

図１から図３Ｂは本発明の一実施形態を示すものであり、図１は自立基板の製造装置の模式断面図、図２はＡｌＮ焼結体、ＳｉＣ基板及びリングの配置状態を示す模式斜視図である。

この自立基板の製造装置１は、昇華法により自立基板を製造するためのものである。図１に示すように、製造装置１は、容器２と、容器２内に配置されたヒータ３と、ヒータ３により加熱されるＡｌＮ焼結体５が載置される載置台４と、を備えている。本実施形態においては、容器２及び載置台４はタングステン（Ｗ）からなり、ヒータ３はタングステンヒータである。載置台４には原料としてのＡｌＮ焼結体５が載置され、ＡｌＮ焼結体５の上方には種結晶基板としてのＳｉＣ基板６が配置される。ＡｌＮ焼結体５とＳｉＣ基板６の間には、スペーサとしてのリング７が介在している。

容器２は、図示しない圧力制御機構により、内部の圧力を調整可能に構成されている。載置台４は、上下に延び、容器２の中央に配置される。ヒータ３は、載置台４を取り囲むように、載置台４の側方に配置される。

ここで、容器２、ヒータ３及び載置台４の材質は任意であるが、成長材料としてＡｌＮを用いる場合は、非カーボン材料で構成することが好ましい。得られるＡｌＮ結晶にカーボン（Ｃ）が含まれないようにするためである。

また、ヒータ３は、ＡｌＮ焼結体５よりも下側に配置されることが好ましい。ＡｌＮ焼結体５、ＳｉＣ基板６及びリング７の温度勾配を的確に制御するためである。

多結晶のＡｌＮ焼結体５は、形状等は任意であるが、図２に示すように四角板状とすることができる。また、厚さについても任意であり、成長させるＡｌＮの所望厚さ等に応じて適宜変更することができる。

ＳｉＣ基板６は、成長材料がＡｌＮの場合、６Ｈ型を用いることが好ましい。また、ＳｉＣ基板６の形状等は任意であるが、図２に示すように四角板状とすることができる。また、厚さについても任意である。

リング７は、ＡｌＮ焼結体５及びＳｉＣ基板６とともに、密閉空間８を形成する。リング７は、ＡｌＮ焼結体５とＳｉＣ基板６の間隔を調整するスペーサとして機能している。リング７は、成長材料の成長温度よりも融点の高い材料であり、本実施形態においてはタンタル（Ｔａ）から構成されている。また、リング７の形状は任意であるが、図２に示すように円環状とすることができる。リング７とＡｌＮ焼結体５及びＳｉＣ基板６の間には、ＡｌＮの成長温度で凝固する接着材が充填される。

以上のように構成された自立基板の製造装置１による自立基板の製造方法について、図３Ａ及び図３Ｂを参照して説明する。図３ＡはＳｉＣ基板上にＡｌＮが成長されていく状態を示す説明図、図３ＢはＳｉＣ基板が昇華によりＡｌＮから除去された状態を示す説明図である。

この自立基板の製造方法は、ＳｉＣ基板６の表面上に昇華法によりＡｌＮを成長させる材料成長工程と、ＡｌＮの成長時にＳｉＣ基板を昇華させる種結晶昇華工程と、を含んでいる。この製造方法では、成長材料の原料も種結晶基板も昇華させるため、昇華のための１つの製造装置で、２つの材料の昇華に対応することができる。尚、材料成長工程と種結晶昇華工程とは同時並行とすることが望ましいが、材料の成長後に種結晶を昇華させるようにしてもよい。

まず、蓋（図示せず）等を閉めて容器２を密閉状態とし、容器２内が所定の圧力以下となるまで排気する。この後、容器２内に所定の設定圧力となるよう窒素ガスを充填する。そして、ヒータ３によりＡｌＮ焼結体５を第１温度、ＳｉＣ基板６を第２温度となるように、それぞれ加熱する。ここで、第１温度は、設定圧力でＡｌＮが固体から気体となる温度に設定される。また、第２温度は、設定圧力でＡｌＮが気体から固体となるとともに、ＳｉＣが固体から気体となる温度に設定される。ＡｌＮとＳｉＣの組み合わせの場合、第１温度と第２温度の差は、例えば約５０度である。また、ＡｌＮとＳｉＣの組み合わせの場合、例えば、１００Ｐａ以上で大気圧以下、１８００度以上で２６００度以下の条件であれば、ＡｌＮの成長及びＳｉＣの昇華を行うことができる。

ＡｌＮ焼結体５及びＳｉＣ基板６が所期の温度に到達したら、所定時間だけ温度を維持して、ＳｉＣ基板６の表面にＡｌＮを成長させる。このとき、成長温度にて接着剤が凝固していることから、密閉空間８内は完全に気密された状態となっている。これにより、密閉空間８内でＡｌＮを昇華、成長させることにより、高速の結晶成長が可能となる。

また、ＡｌＮの成長と並行してＳｉＣ基板６が昇華する。これにより、ＡｌＮが所望の厚さまで成長させてＡｌＮ自立基板９となった時点で、ＳｉＣ基板６が除去されることとなる。このとき、ＡｌＮ自立基板９は、リング７に支持されているので、ＳｉＣ基板６が完全に除去されても脱落することはない。

この後、ＡｌＮ自立基板９を室温まで低下させる。このとき、ＳｉＣ基板６が除去されているので、ＡｌＮとＳｉＣの熱膨張係数の差に起因してクラックが発生するようなことはない。そして、ＡｌＮ自立基板９をリング７から取り外すことで、結晶品質の良いＡｌＮ自立基板９を得ることができる。

こうして得られたＡｌＮ自立基板９は、結晶中に欠陥が殆ど存在せず、これに発光層を含むIII族窒化物半導体層を成長させることにより、高品質のIII族窒化物半導体デバイスを得ることができる。これにより、将来的な紫外発光素子の高性能化にも十分に対応することができる。

また、密閉空間８でＡｌＮを成長させるため、成長速度を向上させることができることは勿論、原料の使用効率を飛躍的に高くすることができる。条件にもよるが、同様の温度、圧力等で従来の坩堝を用いて成長させた場合と比較すると、例えば約２倍以上の成長速度と、例えば約２倍以上の原料の使用効率を達成することができる。

尚、前記実施形態においては、成長材料の成長と種結晶基板の昇華とが並行して行われるものを示したが、成長材料の成長後に種結晶基板を昇華させてもよい。この場合、成長材料と種結晶基板との間の、熱膨張係数差に基づく応力が極力発生しないように、温度を高温に保ったままにする必要がある。

また、前記実施形態においては、種結晶基板が単一層からなり全て昇華するものを示したが、例えば図４Ａ及び図４Ｂに示すように、種結晶基板１６が複数の層１６ａ，１６ｂからなり一部の層が昇華するものであってもよい。例えば、成長材料がＡｌＮの場合、ＡｌＮが成長する成長面を含む第１層としてのＡｌＮ層１６ｂと、種結晶昇華工程にて昇華する第２層としてのＳｉＣ層１６ａと、を含む種結晶基板１６を用いることができる。この場合、図４Ａに示すように、ＡｌＮ層１６ｂの成長面にＡｌＮが成長するので、格子定数の違いに起因する欠陥が生じることは殆どない。そして、図４Ｂに示すように、ＳｉＣ層１６ａが昇華により除去されるので、異種材料間の熱膨張係数の違いに起因する欠陥も生じることは殆どない。ここで、ＡｌＮ層１６ｂは、ＳｉＣ層１６ａ上にＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法やスパッタリング法を用いて形成することができる。尚、この場合、第２層としてＳｉＣの他に、サファイア、Ｓｉ等を用いることができる。

また、前記実施形態においては、成長材料としてＡｌＮを用いたものを示したが、他のIII族窒化物半導体であってもよいことは勿論、昇華法が適用可能な他の材料にも適用することができる。さらに、種結晶基板としてＳｉＣを用いたものを示したが、他の材料を用いてもよいことは勿論である。成長材料がIII族窒化物半導体である場合は、種結晶基板は六方晶系単結晶であることが好ましい。

また、前記実施形態においては、リング７の材料としてＴａを用いたものを示したが、成長材料の成長温度よりも融点が高いものであれば他の材料を用いてもよい。前記実施形態においては、例えばＭｏをリング７の材料としても差し支えない。

また、前記実施形態における容器２、ヒータ３、ＡｌＮ焼結体５、ＳｉＣ基板６等の形状や配置状態も任意であるし、具体的な細部構造等について適宜に変更可能であることは勿論である。

[実施例]
図５から図９を参照して、ＡｌＮ自立基板の製造方法の実施例について説明する。
前記実施形態の製造装置１により、厚さ６００μｍのＡｌＮ自立基板９を作製した。作製にあたり、ＡｌＮ焼結体５の厚さは２ｍｍ、Ｔａのリング７の厚さは１ｍｍ、ＳｉＣ基板６の厚さは３２０μｍとした。また、リング７の直径は、１４ｍｍとした。また、リング７と、ＡｌＮ焼結体５及びＳｉＣ基板６の接着材は、ＡｌＮ：１０ｇ、Ｙ_２Ｏ_３：０．５ｇ、及び、有機溶媒：５．３ｇの混合物とした。この接着剤は、約２０００℃で凝固する。尚、容器２、ヒータ３、載置台４には、すべてＷを用いた

ＡｌＮの成長は、容器２内の所定の測定箇所が、２１００℃、７００Ｐａとなる条件で行った。具体的には、容器２内に窒素を充填して圧力を７００Ｐａとし、１時間以内でＡｌＮ焼結体５及びＳｉＣ基板６を所期温度まで加熱し、この温度を１時間保持してＡｌＮの成長及びＳｉＣの昇華を行った。

図５は、作製されたＡｌＮ自立基板のＳＥＭ画像である。
図５に示すように、ＳｉＣは完全に除去され、１時間で６００μｍ厚のＡｌＮが成長されたことが理解される、尚、接着剤なしで、同様の成長条件にてＡｌＮを成長させたところ、厚さは２４０μｍであった。作製されたＡｌＮ自立基板は、肉眼で基板を通じて裏側のものが視認できる程度に透明であった。

図６及び図７は作製されたＡｌＮ自立基板の画像であり、図６は微分干渉顕微鏡のもの、図７は平面ＳＥＭ画像のものである。
図６及び図７に示すように、ＡｌＮ自立基板９の表面にクラックは観察されなかった。これは、ＳｉＣがＡｌＮから完全に除去されたためである。

図８は作製されたＡｌＮ自立基板の２θ／ωスキャンによるＸＲＤプロファイルである。
図８に示すように、ＡｌＮのピークのみが確認されており、ＡｌＮ単結晶であることが理解される。また、ピークの位置から、ｃ軸格子定数は０．４９８ｎｍと計算された。この値は、既知のＡｌＮ自立基板の格子定数と同様であり、作製されたＡｌＮ自立基板９は緩和したものと理解される。

作製されたＡｌＮ自立基板のωスキャン測定でのＸ線ロッキングカープのＦＷＨＭ(Full Width at Half Maximum)は、（０００２）回折で１３７arcsec、（１０−１２）回折で２３１arcsecと、良好な値が得られた。図９は、実施例の（０００２）回折のＦＷＨＭと、従来例の（０００２）回折のＦＷＨＭとを比較したＡｌＮ膜厚を依存性を示すグラフである。従来例は、ＳｉＣ基板を除去せずにＡｌＮ基板を作製したものである。実施例のＦＷＨＭは、従来例よりも狭く、結晶品質が改善されていることが理解される。

１ 自立基板の製造装置
２ 容器
３ ヒータ
４ 載置台
５ ＡｌＮ焼結体
６ ＳｉＣ基板
７ リング
８ 密閉空間
９ ＡｌＮ自立基板

Claims (9)

1. 種結晶基板の表面上に、昇華法により成長材料を成長させる材料成長工程と、
   前記成長材料の成長時に、前記種結晶基板を昇華させる種結晶昇華工程と、を含む自立基板の製造方法。
2. 前記成長材料の原料と前記種結晶基板との間に、前記成長材料の成長温度よりも融点が高く前記原料及び前記種結晶基板とともに密閉空間を形成するスペーサを介在させた状態で、当該密閉空間にて前記成長材料を成長させる請求項１に記載の自立基板の製造方法。
3. 前記スペーサと前記原料、並びに、前記スペーサと前記種結晶基板を、少なくとも成長温度で凝固する接着剤で接着した状態で、前記密閉空間にて前記成長材料を成長させる請求項２に記載の自立基板の製造方法。
4. 前記成長材料はIII族窒化物半導体であり、
   前記種結晶基板は六方晶系単結晶である請求項３に記載の自立基板の製造方法。
5. 前記成長材料はＡｌＮであり、
   前記種結晶基板はＳｉＣである請求項４に記載の自立基板の製造方法。
6. 前記種結晶基板は、前記材料成長工程にて前記成長材料が成長する成長面を含む第１層と、前記種結晶昇華工程にて昇華する第２層と、を含む請求項３に記載の自立基板の製造方法。
7. 前記成長材料はＡｌＮであり、
   前記種結晶基板の前記第１層はＡｌＮであり、前記種結晶基板の前記第２層サファイア、Ｓｉ又はＳｉＣである請求項６に記載の自立基板の製造方法。
8. 請求項５または７に記載の製造方法で製造されたＡｌＮ自立基板。
9. 請求項８に記載されたＡｌＮ自立基板と、
   前記ＡｌＮ自立基板上に成長され、発光層を含むIII族窒化物半導体層と、を備えるIII族窒化物半導体デバイス。

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